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【月度聚焦】核安全技术创新之路
文章来源:银河国际手机登录杂志 日期:2016年12月15日


——我国核安全技术发展与三代核电核安全技术创新纪实

  我国核安全技术分析专业发展脉络

  1.专业渊源

  中国核动力研究设计院设计所热工水力组最初成立于上世纪70年代,专业内容为反应堆热工水力分析。这是中国核动力事业发展中核安全技术分析专业研究团队,在其第一任组长裘怿春的带领下,热工组编写了最早的《动力反应堆热工水力分析》。

  随着国内反应堆技术的发展以及工程设计的切实需求,核动力院迎来了民用核电领域里程碑式的跨越发展,承担了秦山二期核电厂的设计任务,这对安全分析带来了更高的要求,也给安全分析技术提供了重要的发展机遇。

  正是在这样的市场背景下,1991年安全分析室从热工组孕育而生。通过消化吸收M310的相关专业技术,并与以往的经验积累相结合,安全分析专业室组织了4个专业组,包括失水事故组、瞬态分析组、先进堆研发组、严重事故组。

  专业室刚刚成立,许多工作都是开创性的。面对基础薄弱、工具匮乏的实际情况,通过专业室十多个成员坚持不懈的努力,借助民用核电技术逐渐建立了较为完整的安全分析技术体系。此时的安全分析工作从一开始的典型事故工况扩展到了完整的包括运行瞬态、预期运行事件、稀有事故和严重事故在内的四类工况。这一阶段安全分析技术不断进步,分析手段和工具得到了极大的完善和丰富,完成了大量软件的消化吸收,包括THEMIS、FLICA、CANTAL等众多核电软件。这是中国核动力研究设计院安全分析技术发展的重要转折点,更是全范围安全分析技术发展的起点。

  1991~2001年是安全分析专业不断成长与磨合的十年,其间专业室成员广泛参与了国际原子能机构的支援项目。通过这些项目,一批技术人员前往各个国家学习深造,学习的内容包括了严重事故的分析方法和手段,参与的技术人员如今都已成为了行业内的专家。通过对外的学习交流,不仅提高了安全分析水平,培养了一批专家学者,更是通过项目引进了SCALDAP、MELCOR等计算程序,为安全分析技术的发展提供了充足的技术储备。

  2001~2011年是中国核电大发展的十年,同时也是安全分析专业大发展的十年。这十年里安全分析的人才队伍不断扩大,输送了几十位左右的业内专家,培养了一批年轻人才,安全分析队伍由十几人发展到了70余人,其间完成了民用二代+核电的工程化,在完成大量项目安全分析工作的同时也取得了良好的经济效益。2006年增加了严重事故与概率安全分析(PSA)组,至此四个专业组完整建立。

  经过三年的发展,安全分析相关专业趋于完善,严重事故与PSA组人力得到极大的改善。随后的两年间,专业室规模不断扩大,专业不断完善,吸收并培养了一大批年轻力量,至2011年,专业室队伍规模达到了70余人,1/3以上具有博士学位。

  2011年福岛核事故的发生使得严重事故在世界范围内开始受到广泛的关注,专业室多年的积累在此时发挥了作用。

  2.核电设计能力的发展路径

  核动力院在中大型商用核电站领域设计能力的建立,包括热工水力与安全分析技术的发展,起步于秦山核电二期,提高于岭澳核电二期,成熟于二代加核电站批量建设。1996年开工的秦山二期核电工程是核动力院第一次进行60MW级压水堆核电厂的自主设计。通过秦山二期的科研、设计和建设过程,掌握了核电厂热工设计与安全分析的方法和手段,培养了一批兼具科研能力和工程经验的中青年专家。在完成岭澳核电二期项目后,核动力院的设计能力进一步提高,工程经验更为丰富,热工水力与安全分析专业技术发展到了一个新的阶段,PSA和严重事故分析工作得到深入应用,并在后续的海南、福清、方家山等核电工程建设中发挥了重要作用,在进行翻版工程设计的同时,提出并完成了一系列的设计改进项,显著提高了二代加核电的安全性和经济性。多年的科研和工程历练,提供了孕育“华龙一号”的深厚土壤。

  “华龙一号”的安全设计创新

  2015年5月7日,银河国际登录网址福建福清核电厂5号机组正式浇灌第一罐混凝土,标志着中国自主三代核电技术“华龙一号”(ACP1000)的全球首堆工程正式开工。为了这一天,核动力院人努力了20年。早在20世纪90年代核动力院就开始组织研发100MW反应堆。时任设计所所长张森如组织了一支30余人的队伍,提出了CNP1000的两个方案: A方案, 157堆芯方案,专设系统有很大改进;B方案,177堆芯方案,增加20个元件,整个燃料布置也变了,这个方案就是“华龙一号”的雏形。2009年2月,银河国际登录网址正式以福清5、6号为示范工程,开始了具有自主知识产权的CP1000的工程设计。

  正当CP1000紧锣密鼓进行之际,2011年3月11日发生福岛核事故,银河国际登录网址顺应形势,决定按照更高的设计要求和标准进行自主三代核电技术ACP1000研发。

  ACP1000的研发需要开展大量的设计工作和实验研究,而这些科研工作大部分是与安全相关的。在核动力院牵头的银河国际登录网址重点科技专项“ACP1000三代核电技术” 15项(含试验)科研题目中,热工水力与安全分析室参加了其中的9项,包括其中代表ACP1000最重要特征、最受关注的堆腔注水冷却系统(CIS)、二次侧非能动余热排出系统(PRS)等科研课题。在由中国核电工程有限公司牵头的9个科研项目中,热工水力与安全分析室参加了其中的8项,包括福岛事故后广受关注的严重事故管理导则研究(SAMG)、抗震裕度分析(SMA)和严重事故预防与缓解措施研究等科研。对于这些科研课题,热工水力与安全分析室组织各种精干的团队,分工协作,各个突破,凭借深厚的攻关能力解决了众多难题,圆满完成了科研目标。

  在ACP1000项目上完成了完整的LOCA水力载荷分析、完整的设计瞬态分析,研究、计算了排放载荷(稳压器排放管线、快速卸压管线等);在需要一个月内完成低功率运行和停堆工况PSA的情况下,不退缩、不敷衍,积极配合兄弟院所,按时完成了分工范围之内的工作。在“安全先行”的理念下,承担了大量总体性质的工作,如确定高外排气系统的功能定位与运行方式、提出并确定堆腔注水冷却系统的功能要求和运行方式、提出并确定二次侧非能动余热排出系统的系统配置和启动信号等等。如开展了ACP1000核电科研中的“延迟操作员不干预时间”课题,包含“SGTR防满溢”、“事故后停运主泵”、“非SGTR事故30分钟内SG不满溢”等子项内容。该项科研任务的关键之处是SGTR防满溢。ACP1000要实现操纵员30分钟不干预的同时防止破损SG满溢非常困难。热工水力与安全分析室做了大量的敏感性分析研究,共分析了上百种工况,向项目部做正式汇报11次,非正式汇报讨论不计其数。在此基础上,提出并最终实施了增设停堆信号、增设自动辅助给水隔离信号、提高二次侧大气释放阀定值、增设一个大气释放阀等创新性措施,圆满地解决了SGTR破损SG的满溢问题。通过实现“事故后30分钟可不干预”的设计目标,显著提高了“华龙一号”的安全性和经济性。还比如在ACP1000初步设计阶段,为了满足15%的DNBR裕量的要求,热工水力与安全分析室研究了RTDP方法的基本原理和计算流程。针对ACP1000反应堆,从分析工况选取、参数分布、轴向功率分布等方面进行了大量的敏感性研究,并对状态点的选取依据进行了探索,最终确定了DNBR设计限值,重新进行事故分析,满足了15%的DNBR裕量,确保了“华龙一号”的安全性。

  “华龙一号”是一个创新的设计,开发“华龙一号”的过程,就是一个不断求新、求变的过程。求新求变的不仅是工作成果、设计文件,工作方式和思路也要变化。在“华龙一号”的创新设计过程中,热工水力专业改变传统的从“设计—验证”的安全分析模式,转变为“提出要求—进行设计—安全分析—提出反馈—设计迭代”的安全设计模式,冲在方案设计的第一线,以安全设计的思路,将代表三代核电技术安全性、先进性的设计理念和设计要求贯彻“华龙一号”研发的方方面面。例如,在“华龙一号”开发过程中,热工水力与安全分析室全面地深入到堆腔注水冷却系统、二次侧非能动余排系统、先进堆芯测量系统等的设计中,提出功能要求,及时而频繁地与内外部接口专业交流并且给出最终性能评价。

  安全设计的未来之路

  基于20多年来积淀的技术能力和拼搏精神,热工水力与安全分析专业在参与“华龙一号”研发的过程中将安全设计的理念体现在“华龙一号”热工和安全分析工作的方方面面,圆满完成工作任务。另一方面,“华龙一号”的设计研发过程也同样促进了专业能力发展,促使求新、求变,掌握新技术,同时也把原有的技术基础加深、加牢靠。在今后的工作中,还将继续探索新技术,在数字化反应堆、全范围安全分析和安全管理以及计算流体力学技术的全堆芯应用等方面不断努力,实现更多的突破。

  目前“华龙一号”已经在国内福建福清和国外巴基斯坦卡拉奇开工建设,包括热工水力与安全分析室在内的”华龙一号”设计研发团队多年付出的心血已经有了初步成果。但是,要让华龙之花开得更美、更盛,要结出丰硕的果实,还需要我们不忘初心,继续前行。在后续的工作中,我们还将继续发展自主设计能力,掌握、开发更多自主化的设计手段,助力 “华龙一号”走得更好,走得更远。(作者系中国核动力研究设计院张晓华 杜思佳 魏宗岚)

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